基于振动传递率函数的水泥混凝土铺面脱空识别方法

为提高水泥混凝土铺面脱空识别的准确性和便捷性,提出一种基于振动传递率函数的板底脱空识别方法。首先,建立了九块板全尺寸铺面结构三维有限元模型,获取冲击荷载作用下铺面板的多点加速度响应;其次,在2个振动传递方向上,分别计算相邻2个测点间的振动传递率函数,分析特定频段内传递率函数的差异,并提出传递率损伤指标(transmissibility-damage indicator,TDI)及其矩阵表达式;最后,计算分析11种不同脱空形式、程度下TDI矩阵的差异,并分析测点布设方式、信号噪声水平对TDI矩阵的影响。结果表明:该脱空判定指标能较好识别定位板角和板边局部脱空。所得TDI矩阵在板角脱空的2个传递方向均十分显著,在板边脱空的垂直脱空边方向较为显著;对于板中脱空,2个传递方向上的TDI矩阵均无法有效识别。板中脱空的分布与TDI矩阵的分布一致性较差;对于多区域脱空,其计算得到的TDI矩阵与单区域脱空类似,对于板角和板边局部脱空均能有效识别;测点布设越密,TDI矩阵的分布与脱空分布的一致性越高。然而,该识别方法对噪声水平较为敏感,噪声水平越高,识别精度越低,需要较高精度的传感器或设备予以支撑。

基于分布式振动传感的车辆轴载感知方法

提出了基于分布式振动传感的车辆轴载感知方法。采用分布式光纤感知路面振动,建立光纤信号与路面振动位移映射关系及车辆轴载反演解析模型。利用足尺试验对所提车辆轴载反演解析模型进行拟合优度验证,并通过自然车辆称重试验验证所提车辆轴载感知算法有效性。结果表明:车辆轴载感知系统对单轴最大估计误差为0.98%,对车辆总重预估精度达到0.34%,且系统精度受车辆速度影响小,符合国家对于单轴2%、总重5%的精度标准。

脱空对刚性道面板应力分布的影响及临界脱空状态

基于层间弹簧模型提出支承状态模拟方法,构建刚性道面板数值仿真模型。考虑不同飞机荷载和接缝状态,分析脱空影响下的道面板荷载应力增幅、位置偏移及重分布规律。结果表明:层间弹簧模型可准确地模拟脱空导致的刚性道面板支承损失以及不同脱空状态;随着脱空加剧,脱空区边缘的荷载应力增大,最大荷载应力在板厚方向上的位置由板底转移至板顶;当脱空区内最大荷载应力超过健康状态(即无脱空)下临界荷位的峰值应力时,该脱空状态即为临界脱空状态。相比传统弯沉指标,临界脱空状态能够更准确地反映脱空对道面结构的影响。

路用叠堆式压电单元设计及性能分析

为提升路用压电单元的俘能效率和工作性能,设计并制作5种路用叠堆式压电单元结构。采用室内试验分析结构参数、负载阻抗和荷载特征对单元压电性能的影响,探究单元结构在极限受压和重复荷载作用下压电性能衰减的规律。研究结果表明:并联式结构能够有效降低单元开路电压,提供稳定的输出电压;开路电压与压电圆片厚度正相关但与堆叠片数无关;相同外径下圆片式单元的开路电压比圆环式高33.5%,具备更好的电学性能;输出功率随负载电阻增大呈先增大后减小的单峰特征,并且在915 kΩ阻值下产生11.0 mW的最大输出功率,表现出最佳的机电转换性能;开路电压随着荷载幅值增加近似线性增加,但随荷载频率增大小幅度减小;开路电压在3.0 kN与5 Hz荷载工况下达到240 V。压电性能衰减测试证明,所制备的压电单元结构满足高应力、多轴载作用的路用要求。

基于振动传递的水泥混凝土路面接缝损伤感知

采用振动传递理论分析了接缝刚度对振动跨缝传递特性的影响机制,并通过40万次缩尺度室内疲劳加载测试,验证了接缝边界损伤对振动传递特性的影响规律,据此建立了基于振动传递率的接缝损伤感知方法。依托6块水泥混凝土路面板接缝的振动传递率实测结果,并与弯沉比检测结果进行对比,检验振动传递率感知接缝损伤的实际效果。结果表明:接缝两侧振动传递率与接缝刚度显著相关(相关系数>0.8),在不同季节和不同接缝的重复性测试中振动传递率均能够灵敏、准确地感知接缝损伤(刚度损失比识别精度为±0.069),验证了该接缝损伤感知方法的可靠性。

基于振动感知的混凝土铺面板底脱空识别方法

水泥混凝土铺面在使用过程中常由于冲刷和沉降产生脱空,进而诱发断板、错台等病害,严重影响铺面使用性能。为此,提出一种基于振动感知的混凝土铺面板底脱空识别方法,以有效控制混凝土铺面的结构性损坏。通过有限元数值模拟与室内试验,发现板底脱空会影响铺面板局部振动的频谱分布,且影响程度与脱空面积、位置等因素相关。在此基础上,采用分布式光纤传感技术搭建铺面板振动感知系统,分布式地采集铺面板振动特性;利用时频分析技术解析铺面板振动特性,捕获振动频谱特征;研究不同脱空状况下铺面板局部的振动频谱特征。分析结果表明:脱空状况对20~150Hz频段上频谱特征的影响显著;以该频段为敏感频段,计算加权频率的变化量,并以此为脱空监测指标,提出基于振动感知的混凝土铺面板底脱空识别方法。于上海龙华机场开展现场试验,在3块铺面板内搭建了分布式振动感知系统;采集了12个测点不同日期的动态弯沉与振动特性数据,比较了振动感知法和传统弯沉法的脱空识别结果。试验结果表明:2种方法的识别结果趋于一致且具有较好的相关性,验证了振动感知法用于脱空识别的可行性。

基于分布式光纤的混凝土路面振动场感知与解析

感知并解析路面振动可为智能车路系统提供健康诊断、定位循迹、风险预警等多功能服务,有效驱动路面智能化。通过优化分布式光纤器件设计与阵列布设,研发了水泥混凝土路面振动分布式感知系统;利用短时能量分析、功率谱分析等构建了振动时间-空间特征、频域-空间特征的场式表达方法;基于短时能量时空场、功率谱频空场,提出了水泥混凝土路面振动时空响应特征、全局频域特征的变维度解析方法;并于同济大学足尺试验场进行实测验证。结果表明:(1)荷载位置显著影响短时能量时空场,短时能量峰值坐标能灵敏地反映荷载位置变化,且相比线形光缆,由光纤环阵列组成的感知系统具有更高的空间分辨率(0.35 m);(2)相同荷载激振下,振动分布式感知系统与商用高精度加速度计测试结果相近(频峰识别误差小于1 Hz,空间振型置信度大于0.9),且在多点重复测试下具有较高稳定性;(3)面板模量显著影响功率谱频空场,模量越大前4阶频率越大,且增幅随阶次增高而愈发显著,该实测现象与理论分析吻合,且在6块板内测得相同趋势。该振动分布式感知系统能够准确、稳定地感知路面振动场时间、空间、频域信息;振动场变维度解析方法能够有效、可靠地解析时空响应特征、全局频域特征。

斜向预应力混凝土铺面振动特性

为了明确预应力影响下斜向预应力混凝土铺面的振动特性,并揭示预应力水平与振动特性的关系,首先开展足尺模型试验,通过分级张拉模拟不同预应力水平,并利用加速度计采集足尺模型振动数据,依托快速傅里叶变换捕获各预应力水平对应的振动特性,从而揭示预应力对斜向预应力混凝土铺面振动特性的影响。其次,利用ABAQUS软件建立斜向预应力混凝土铺面数值模型,通过等效荷载法模拟预应力作用,采集不同预应力水平下数值模型的加速度响应,并通过数值模拟拓展试验工况,开展参数(模量、密度、摩擦因数等)敏感性分析,进一步研究斜向预应力铺面振动特性及其变化规律。研究结果表明:预应力对振动主频影响较小,以主频为指标的传统方法在斜向预应力混凝土铺面振动分析中具有局限性,难以体现预应力影响下振动频谱的整体变化;预应力水平会显著影响50~150Hz频段的振动频谱分布,随着预应力增大,50~150Hz频段频谱曲线向高频呈现明显偏移,该频段权重频率变化量与预应力变化幅度具有显著的相关性;该规律在不同材料、摩擦因数等参数组合下具有一定普适性,进一步佐证预应力水平对权重频率具有显著影响,因此,建议采用权重频率作为指标以观测频谱分布的变化,从而分析预应力对斜向预应力混凝土铺面振动特性的影响。